現實世界的許多問題,例如資源分配、路線規劃和生產排程,都可以歸結為最佳化問題。解決這類別問題的關鍵在於建立準確的數學模型,並利用有效的演算法找到最佳解。本文以尋找最佳路線和兩棲動物共存問題為例,說明如何使用數學建模和程式設計工具求解最佳化問題。首先,我們需要定義目標函式,它代表我們想要最大化或最小化的指標,例如時間、成本或資源利用率。其次,我們需要確定約束條件,這些條件限制了可行的解決方案範圍,例如資源限制、物理限制或邏輯限制。最後,我們需要定義決策變數,這些變數的值決定了最終的解決方案。透過將這些要素整合到一個數學模型中,我們可以使用最佳化演算法,例如 Google OR-Tools 提供的演算法,來找到最佳解。

最佳化問題的建模與求解

在現實生活中,我們經常會遇到各種需要做出最佳決策的問題,例如尋找最快的路線、最優的資源分配方案等。這些問題都可以歸類別為最佳化問題。最佳化問題的核心是找到在給定約束條件下的最優解。

最佳化問題的建模

最佳化問題的建模是指將現實問題轉化為數學模型,以便使用數學方法進行求解。一個完整的最佳化模型通常包括兩個主要部分:目標函式和約束條件。

  • 目標函式:目標函式是指我們想要最佳化的量,例如時間、成本、距離等。最佳化問題可以是最大化或最小化目標函式。
  • 約束條件:約束條件是指限制我們決策的因素,例如資源限制、物理限制等。

以「最佳路線」問題為例

假設我們要騎腳踏車送兩歲的兒子去日託中心,並且希望盡快到達。這裡的目標函式是最小化行駛時間,而約束條件包括必須遵循街道或腳踏車道、遵守交通規則等。

程式碼實作

from ortools.constraint_solver import routing_enums_pb2
from ortools.constraint_solver import pywrapcp

def create_data_model():
    """Stores the data for the problem."""
    data = {}
    data['distance_matrix'] = [
        [0, 10, 15, 20],
        [10, 0, 35, 25],
        [15, 35, 0, 30],
        [20, 25, 30, 0]
    ]
    data['num_vehicles'] = 1
    data['depot'] = 0
    return data

def print_solution(manager, routing, solution):
    """Prints solution on console."""
    print('Objective: {}'.format(solution.ObjectiveValue()))
    index = routing.Start(0)
    plan_output = 'Route for vehicle 0:\n'
    route_distance = 0
    while not routing.IsEnd(index):
        plan_output += ' {} ->'.format(manager.IndexToNode(index))
        previous_index = index
        index = solution.Value(routing.NextVar(index))
        route_distance += routing.GetArcCostForVehicle(previous_index, index, 0)
    plan_output += ' {}\n'.format(manager.IndexToNode(index))
    plan_output += 'Route distance: {}\n'.format(route_distance)
    print(plan_output)

def main():
    """Entry point of the program."""
    # Instantiate the data problem.
    data = create_data_model()

    # Create the routing index manager.
    manager = pywrapcp.RoutingIndexManager(len(data['distance_matrix']), 
                                           data['num_vehicles'], 
                                           data['depot'])

    # Create Routing Model.
    routing = pywrapcp.RoutingModel(manager)

    def distance_callback(from_index, to_index):
        """Returns the distance between the two nodes."""
        from_node = manager.IndexToNode(from_index)
        to_node = manager.IndexToNode(to_index)
        return data['distance_matrix'][from_node][to_node]

    transit_callback_index = routing.RegisterTransitCallback(distance_callback)

    # Define cost of each arc.
    routing.SetArcCostEvaluatorOfAllVehicles(transit_callback_index)

    # Setting first solution heuristic.
    search_parameters = pywrapcp.DefaultRoutingSearchParameters()
    search_parameters.first_solution_strategy = (
        routing_enums_pb2.FirstSolutionStrategy.PATH_CHEAPEST_ARC)

    # Solve the problem.
    solution = routing.SolveWithParameters(search_parameters)

    # Print solution on console.
    if solution:
        print_solution(manager, routing, solution)

if __name__ == '__main__':
    main()

內容解密:

  1. create_data_model 函式:此函式建立並傳回一個包含問題資料的字典。資料包括距離矩陣、車輛數量和出發點(depot)。
  2. print_solution 函式:此函式用於列印解決方案的詳細資訊,包括目標值和路線。
  3. main 函式:程式的入口點。它例項化資料問題,建立路由索引管理器和路由模型,並定義距離回撥函式來計算兩點之間的距離。
  4. distance_callback 函式:此函式根據距離矩陣傳回兩節點之間的距離。
  5. 搜尋引數設定:設定搜尋引數並選擇第一個解決方案策略為 PATH_CHEAPEST_ARC,即根據最便宜的路徑尋找初始解。
  6. 求解問題:使用設定的搜尋引數求解路由問題。
  7. 列印結果:如果找到解決方案,則呼叫 print_solution 函式列印結果。

使用 Google OR-Tools 求解最佳化問題

Google OR-Tools 提供了一套強大的工具,用於求解各種最佳化問題,包括路由問題、排程問題等。在上述範例中,我們使用 OR-Tools 的路由模組來求解最佳路線問題。

1.2.2 符號表示說明

在整本文中,我們將描述多個代數模型,並使用兩種方式來表示這些模型。首先,我們會使用常見的數學符號來描述每個模型,接著使用可執行的 Python 程式碼來完整呈現詳細的模型。這兩種表示方式之間的對應關係應該很容易理解。表 1-1 列出了數學模式與 Python 模式之間的對應關係範例。

數學與程式碼表示的對等性

物件數學模式Python 模式
標量變數XX
向量$v_i$v[i]
矩陣$M_{ij}$M[i][j]
不等式x + y ≤ 10x + y <= 10
累加$\sum_{i=0}^{9} x_i$sum(x[i] for i in range(10))
集合定義{$i^2$ | i ∈ [0, 1, …, 9]}[i**2 for i in range(10)]

1.3 初步實踐:兩棲動物的共存問題

最簡單的問題與高中時遇到的「文字題」相似,它們本質上是代數問題,可以使用基礎線性代數工具來建模和解決。讓我們考慮一個這樣的問題來說明建模方法,並定義一些基本概念。

問題描述

某動物園生物學家計劃將三種兩棲動物(蟾蜍、蠑螈和蚓螈)放入一個水族箱中,這些動物會以三種不同的小型獵物為食:蚯蚓、蟋蟀和蒼蠅。每天,水族箱中會放入 1,500 條蚯蚓、3,000 隻蟋蟀和 5,500 隻蒼蠅。每種兩棲動物每天會消耗一定數量的獵物。表 1-2 總結了相關資料。

表 1-2:每種兩棲動物消耗的獵物數量

食物蟾蜍蠑螈蚓螈可用數量
蚯蚓2111500
蟋蟀1323000
蒼蠅1235500

建模步驟

所有最佳化和可行性問題都遵循三步驟建模方法:

  1. 明確問題:提出一個精確的問題陳述,涉及計算或評估一個或多個物件。在本例中,問題是「每種兩棲動物可以共存多少隻?」
    • 為了回答這個問題,我們需要定義決策變數:$x_0$(蟾蜍數量)、$x_1$(蠑螈數量)和 $x_2$(蚓螈數量)。

程式碼實作:定義決策變數

# 定義決策變數
x0 = 0  # 蟾蜍數量
x1 = 0  # 蠑螈數量
x2 = 0  # 蚓螈數量

內容解密:

  • 這段程式碼定義了三個變數,分別代表三種兩棲動物的數量。
  • 初始化為0,表示初始狀態下水族箱中沒有任何兩棲動物。
  1. 識別需求並轉換為約束條件

    • 所有兩棲動物總共消耗的蚯蚓不超過 1,500。
    • 所有兩棲動物總共消耗的蟋蟀不超過 3,000。
    • 所有兩棲動物總共消耗的蒼蠅不超過 5,500。

    將這些需求轉化為代數約束條件:

    • $2x_0 + x_1 + x_2 \leq 1500$(蚯蚓約束)
    • $x_0 + 3x_1 + 2x_2 \leq 3000$(蟋蟀約束)
    • $x_0 + 2x_1 + 3x_2 \leq 5500$(蒼蠅約束)

程式碼實作:定義約束條件

# 定義約束條件
def constraint_worms(x0, x1, x2):
    return 2*x0 + x1 + x2 <= 1500

def constraint_crickets(x0, x1, x2):
    return x0 + 3*x1 + 2*x2 <= 3000

def constraint_flies(x0, x1, x2):
    return x0 + 2*x1 + 3*x2 <= 5500

內容解密:

  • 這裡定義了三個函式,每個函式代表一個約束條件。
  • 每個函式檢查相應的資源(蚯蚓、蟋蟀、蒼蠅)是否滿足約束條件。
  • 例如,constraint_worms函式檢查 $2x_0 + x_1 + x_2 \leq 1500$ 是否成立。
  1. 確定最佳化目標:在本問題中,我們希望最大化共存的兩棲動物總數,即最大化 $x_0 + x_1 + x_2$。

程式碼實作:目標函式

# 定義目標函式
def objective(x0, x1, x2):
    return x0 + x1 + x2

內容解密:

  • 此函式計算並傳回三種兩棲動物的總數。
  • 目的是在滿足所有約束條件的前提下,最大化這個總數。

使用通用程式語言與最佳化函式庫建立數學模型

在建立數學模型後,下一步是將其轉化為可被各種求解器理解的形式。多年來,最佳化領域已經發展出多種專門的建模語言和求解器。

專門的建模語言與求解器

以下是一些常見的建模語言和求解器:

為何選擇通用程式語言?

雖然專門的建模語言具有簡潔的表達方式,但它們往往在某個時候會遇到限制,需要額外的程式碼來連線模型和應用程式的其他部分。相比之下,使用通用程式語言(如 Python)結合最佳化函式庫,可以更靈活地完成建模和應用程式整合的工作。

本文將使用 Google 的 Operations Research Tools(OR-Tools)函式庫,它提供了優秀的介面來存取多種線性和整數求解器,並且具有特殊的網路流問題和限制式程式設計功能。

範例:兩棲動物共存模型

以下是一個使用 OR-Tools 建立的兩棲動物共存模型範例:

from ortools.linear_solver import pywraplp

def solve_coexistence():
    t = 'Amphibian coexistence'
    s = pywraplp.Solver(t, pywraplp.Solver.GLOP_LINEAR_PROGRAMMING)
    x = [s.NumVar(0, 1000, 'x[%i]' % i) for i in range(3)]
    pop = s.NumVar(0, 3000, 'pop')
    s.Add(2*x[0] + x[1] + x[2] <= 1500)
    s.Add(x[0] + 3*x[1] + 2*x[2] <= 3000)
    s.Add(x[0] + 2*x[1] + 3*x[2] <= 4000)
    s.Add(pop == x[0] + x[1] + x[2])
    s.Maximize(pop)
    s.Solve()
    return pop.SolutionValue(), [e.SolutionValue() for e in x]

程式碼解析:

  1. 載入 OR-Tools 的 Python 包裝器,用於線性規劃。
  2. 定義 solve_coexistence 函式,建立一個線性規劃求解器。
  3. 建立三個決策變數 x,代表三種兩棲動物的數量,範圍在 0 到 1000 之間。
  4. 建立一個變數 pop,代表總人口數,範圍在 0 到 3000 之間。
  5. 新增三個限制條件,分別對應數學表示式(1.1)-(1.3)。
  6. 將總人口數 pop 設定為三種兩棲動物數量的總和。
  7. 將目標函式設定為最大化總人口數 pop
  8. 求解模型,並傳回總人口數和三種兩棲動物的數量。

使用通用程式語言和最佳化函式庫,可以更靈活地建立和求解數學模型,並且可以輕鬆地將模型整合到更大的應用程式中。OR-Tools 提供了優秀的介面和功能,可以簡化建模和求解的過程。

線性連續模型

在最佳化領域的黎明時期(二十世紀五十年代),線性最佳化模型和單純形法是當時的技術主流。單純形法是當時唯一能夠有效解決這類別模型的演算法。筆者在開始研究這個主題時,曾多次聽到一種說法:全球超過70%的CPU運算週期都被用來執行各種單純形法程式。雖然這可能有所誇張,但它反映了線性模型的強大威力。現實世界並非總是線性的,但線性近似往往已經足夠。

線性連續模型的定義

嚴格來說,本章討論的是線性連續模型(儘管通常將這些模型簡稱為LP,即線性規劃,預設其具有連續性)。線性連續模型是最簡單的模型之一,無論是在表述還是求解上都相對容易。自從George Dantzig發明瞭單純形法來求解這類別模型以來,它們就成了最佳化領域的主力工具。線性連續模型的特點包括三個要素:

  • 所有變數都是連續的。
  • 所有約束條件都是線性的。
  • 目標函式是線性的。

詳細特性

具體而言,決策變數(例如$x_0, … , x_n$)可以取整數或分數值。當解決方案涉及測量或分配連續資源時,這種特性非常合適。

# 範例程式碼:定義一個簡單的線性連續模型
from ortools.linearsolver import pywraplp

def solve_linear_continuous_model():
    # 建立一個線性規劃求解器
    solver = pywraplp.Solver.CreateSolver('GLOP')

    # 宣告變數
    x = [solver.NumVar(0, solver.infinity(), f'x{i}') for i in range(3)]

    # 新增約束條件
    constraint1 = solver.Constraint(0, 1500)
    constraint1.SetCoefficient(x[0], 2)
    constraint1.SetCoefficient(x[1], 1)
    constraint1.SetCoefficient(x[2], 1)

    # 設定目標函式
    objective = solver.Objective()
    for var in x:
        objective.SetCoefficient(var, 1)
    objective.SetMaximization()

    # 求解模型
    status = solver.Solve()

    # 傳回結果
    if status == pywraplp.Solver.OPTIMAL:
        return solver.Objective().Value(), [var.solution_value() for var in x]
    else:
        return None, None

#### 內容解密:
此範例程式碼展示瞭如何使用Google的OR-Tools函式庫建立和求解一個簡單的線性連續模型首先我們建立了一個線性規劃求解器例項並聲明瞭一組連續變數接著我們增加了一個線性約束條件並定義了一個簡單的線性目標函式旨在最大化變數的總和最後我們呼叫求解器來計算最優解並傳回目標函式的最優值和決策變數的最優值

#### 進一步解析:
1. **建立求解器**我們使用`pywraplp.Solver.CreateSolver('GLOP')`建立了一個根據GLOP後端的線性規劃求解器GLOP是Google開發的一個高效的線性規劃求解器
2. **變數宣告**透過`solver.NumVar`方法我們聲明瞭一組連續變數$x_0, x_1, x_2$,每個變數的取值範圍從0到無窮大
3. **約束條件**我們建立了一個約束條件$2x_0 + x_1 + x_2 \leq 1500$,並透過`SetCoefficient`方法設定了變數的係數
4. **目標函式**目標函式被設定為最大化$x_0 + x_1 + x_2$,體現了線性目標函式的特性
5. **求解與結果**呼叫`solver.Solve()`進行求解後我們檢查瞭解的狀態如果狀態為`OPTIMAL`,則傳回最優目標函式值和最優變數值

### 線性連續模型的優勢

線性連續模型由於其簡單性和成熟的求解演算法如單純形法和內點法),在眾多領域得到了廣泛應用它們特別適合於資源分配生產排程投資組合最佳化等問題